Tünel Diyot Nedir? Çalışma Prensibi

Tünel diyot: Yüksek kapasitelerde işlem yapabilen ve çok katkılı bir yarı iletkendir.  Tünelleme denilen kuantum mekaniksel etkiden dolayı etkin bir şekilde negatif dirence sahiptir. Diyot çeşitlerinden biri olan tünel diyotlar, genellikle germanyumdan yapılırlar. Ancak galyum arsenit  ve silikon  malzemelerden de yapılabilirler.

Japon Dr. Lee Esaki tarafından tünel diyodun, esaslarını 1958 ‘de ilk ortaya koyan kişidir. Japon Dr. Lee Esaki ‘nin isminden esinlenerek “Esaki Diyodu”  denir.

Tünel diyotlar ters polarma altında çalışırlar. Üzerine uygulanan gerilim belli bir düzeye ulaşıncaya kadar akım seviyesi artarak ilerler. Gerilim belli bir düzeye ulaştıktan sonra da üzerinden geçen akımda düşüş görülür.

Tünel diyotlar bu düşüş gösterdiği bölge içinde kullanılır. Küçük polarma gerilimlerinde iletken duruma geçerler. Ayrıca diğer diyotlardan daha iyi iletkendirler.  Çalışma aralığının bir kısmındaki “negatif” diferansiyel direnç, osilatör ve amplifikatör olarak ve histerezis kullanan devreleri değiştirmede kullanılırlar. Ayrıca frekans dönüştürücüler ve dedektörler olarak da kullanılırlar . Düşük kapasitansları , sıradan diyot ve transistör aralığının çok üzerinde mikrodalga frekanslarında kullanılırlar.

Tünel Diyot Sembolü

 

 

Tünel Diyot Yapısı

Bu diyodun P-N birleşme yüzeyi çok incedir. Küçük gerilim uygulamalarında bile çok hızlı ve yoğun bir elektron geçişi sağlamaktadır. Bundan dolayı tünel diyot , 10.000 MHz’e kadar ki çok yüksek frekans devrelerinde yükselteç ve osilatör olarak kullanılır.

Tünel Diyot Çalışma Prensibi

Şekle göre; eğride görüldüğü gibi tünel diyoda uygulanan gerilim Vt₁ değerine gelinceye kadar gerilim büyüdükçe akım da artar. Gerilim büyüdükçe, akım A noktasındaki “It” değerinden düşmeye başlar. Gerilim büyümeye devam ettiği sürece, akım B noktasında bir süre ”Iv” değerinde sabit kalır. Daha sonra C noktasına doğru artar. C noktası gerilimi “Vt₂”, akımı yine “It” ‘dir. Bu akıma “Tepe değeri akımı” denir.

Gerilim, “Vt2” değerinden daha fazla arttırmamalıdır. Gerilim fazla artarsa geçen akım, “It” tepe değeri akımını aşacağı için diyot bozulur.

I = f (V) eğrisinin A-B noktaları arasındaki eğimi negatif olup, -1/R ile tanımlanır. Diyodun bu bölgedeki direnci de negatif direnç olur. Tünel diyot A-B bölgesinde çalıştırılarak negatif direnç özelliğinden faydalanılır.

Kullanım Alanları

Tünel Diyodun Yükselteç Olarak Kullanılması

Tünel diyot, negatif direnci sebebiyle, uygun bir bağlantı devresinde kaynaktan çekilen akımı arttırır. Bundan dolayı bu akımın harcandığı devredeki gücün yükselmesini sağlar.

Tünel Diyodun Osilatör Olarak Kullanılması

Tünel diyotlardan MHz mertebesinde osilatör olarak faydalanılır. Bir tünel diyot ile osilasyon sağlamak için negatif direnci, diğer rezonans elemanlarının pozitif direncinden büyük olmalıdır. Tünel diyoda seri bir rezonans devresi bağlanabilir.

Örneğin; Tünel diyodun negatif direnci – R=40 Ohm olsun. Rezonans devresinin direnci 40 Ohm ‘dan küçük ise  tünel diyot bu devrenin dengesini bozar ve osilasyon doğar.

Tünel Diyodun Anahtar Olarak Kullanılması

Tünel diyot elektronik beyinlerde multivibratörlerde, gecikmeli osilatörlerde, flip-flop devrelerinde ve benzeri elektronik sistemlerde anahtar görevi görür.

Bu diyotlar çok küçük olmakla birlikte çok güçlüdürler. Çoğunlukla çalışma frekansı 10.000 MHz’e kadar olan osilatörler de, yükselteçler de ve hızlı anahtarlama devrelerinde (gecikmeli osilatörler, multivibratörler) vb. kullanılırlar.

Örneğin: 1N2939 adlı tünel diyotun teknik özellikleri:

• İleri yön akımı: 5 mAmper.
• Ters yön akımı: 10 mAmper.
• Ters yön gerilimi: 30 mVolt.
• İleri yönde tepe nokta akımı gerilimi: 450-600 mVolt.

İlk tünel diyot germanyumdan yapılmıştır. Silikon tünel diyot imalatına 1965′ lerde başlanmıştır. Diyot fiyatları teknik özelliklerine göre değişmektedir.

Tunnel Diyot Uygulamaları

• Tunneling mekanizması sayesinde ultra yüksek hızlı anahtar olarak kullanılır.
• Anahtarlama zamanı nanosaniye ve hatta pikosaniye’dir.
• Eğrisinin akımdan doğan üçlü değerli özelliği sebebiyle, mantıksal bellek depolama aygıtı olarak kullanılır.
• Son derece küçük kapasitans, endüktans ve negatif direnç nedeniyle, yaklaşık 10 GHz frekansta bir mikrodalga osilatör olarak kullanılır.
• Negatif direncinden dolayı gevşeme osilatör devresi olarak kullanılır.

Tünel Diyod Avantajları

• Düşük maliyetli
• Düşük gürültü
• Kullanım kolaylığı
• Yüksek hız
• Düşük güç
• Nükleer radyasyonlara karşı duyarsız

Dezavantajları

• Stabil değildir. Negatif dirençli olmasından dolayı kontrolü zordur.
• İstenilmeyen işaretlere de kaynaklık yapmaktadır.